某雷達天線方向圖自動測試系統的軟硬體原理詳解

2020-11-22 電子發燒友

天線是雷達的重要組成部分，天線方向圖的測試在雷達性能測試中佔有極其重要的位置。早期人們採用手動法進行方向圖測量，數據的錄取、方向圖的繪製以及參數的計算都是手工方式，操作複雜，工作量大，耗時長，精度低。隨著微電子技術和計算機技術的飛速發展，天線方向圖自動測試逐漸取代了手動測量，實現了信號錄取、數據處理以及方向圖繪製的自動化，大大提高了測量速度和精度。本文介紹了一種雷達天線方向圖的自動化測量系統，分析了軟硬體結構及原理。

1 方向圖自動測試原理及實驗配置

根據天線的互易性原理，將被測天線作為接收天線，固定的輻射天線作為發射天線，由發射天線發射電磁波，轉動被測天線進行接收，測出被測範圍內不同角度處的信號電平，便可得到被測天線的方向圖[1]。

方向圖的自動測量與手動測量原理相同，不同的是利用電子和計算機技術，實現了數據採集、處理和方向圖繪製的自動化。圖1是某雷達天線方向圖自動測試的實驗配置。

方向圖的自動測量屬於動態測量。測量時被測天線連續轉動，並接收信號源通過喇叭天線發射的微波信號。接收信號送天線幅度信號採集電路，經變換放大及 A/D轉換後送

給微機。天線轉動的同時，天線角度信號錄取裝置將天線位置轉換成角度數位訊號送給微機。這樣就可以得到測量範圍內每一位置的幅度信號電平，根據這組數據，微機就可以進行數據處理並由輸出裝置輸出計算結果。

2 硬體電路設計

系統硬體包括微機控制部分、天線幅度信號錄取裝置、天線角度信號錄取裝置和繪圖儀。組成框圖如圖2所示。

2.1 微機控制電路

微機控制電路採用51系列單片機，由CPU、程序存儲器、外部數據存儲器和地址解碼器等組成[2]。

2.2 天線幅度信號錄取裝置

幅度信號錄取裝置由測量放大器、採樣/保持電路s/H和A/D轉換電路組成。

天線接收的微波信號送至測量放大器，對微波信號進行高頻檢波，輸出調製方波信號，然後進行放大、檢波、濾波等處理，輸出一個幅度滿足要求、波形較好的直流信號。該信號經採樣S/H後送到A/D，A/D在單片機控制下將模擬信號轉換成數位訊號，並存入外部數據存儲器，從而完成幅度信號的錄取。

測量放大器是該系統的信號變換放大電路，有較高的靈敏度、大的動態範圍、穩定的工作特性和快的響應速度。

S/H的選取原則是：如果在A/D轉換期間輸入信號電平的變化小於1個LSB，可以不加S/H；否則，必須加S/H。下式是不加S/H時信號變化率應滿足的關係：

式中：關係式為信號變化率的絕對值；Vm為A/D的滿度電壓；n為A/D的位數；T為A/D的轉換時間。

A/D晶片採用AD574，其參數為：Vm=10 V，n=12，T=25μs，代入式(1)得關係式。雷達波束的最大變化率不小於10 V/(。)，天線轉速一般不小於2 r/min，信號電壓變化率不小於：10 ×(2 × 360/60)=120 V/s，超過極限值97.7 V/s，所以必須加S/H。

AD574具有量化誤差小(2.44 mV)、動態範圍大(72 dB)、轉換速度高(25μs)等優點。


        2.3 天線角度信號錄取裝置

天線角度信號的錄取由單片機控制軸角編碼器完成。軸角編碼器直接從天線傳動機構的同步接收機三相繞組和激勵繞組上取信號，輸出12位角度數位訊號。與一般角度編碼器相比，它採用跟蹤型閉環迴路，具有跟蹤速度快、精度高等優點，其原理見圖3。

同步機上三相繞組的電壓經三相/二相變壓器得到兩相電壓V1和V2:

式中：υm為電壓幅值；ω為同步機繞組電壓的角頻率；θ為天線轉過的角度。

V1和V2在正餘弦乘法器中分別與cosφ和sinφ相乘(cos φ和sinφ是正餘弦函數發生器產生的，φ為計數器的數字量)，然後在誤差放大器中進行相減、放大得：

式中：k為誤差放大器的放大倍數。

該信號經相敏檢波後輸出誤差信號θ-φ，再經積分器積分後控制壓控振蕩器使θ-φ趨於0，此時可逆計數器輸出代表角度θ的數字量。

該軸角編碼器可輸出12位角度數位訊號，具有很高的角度分辨力。從粗同步機上取信號時，最小可分辨角度為：6 000/212=1.46密位。為進一步提高分辨力，從精同步機上取信號，由於粗、精轉速比為1:20，最小可分辨角可達到1.46/20=0.073密位。

採集間隔越小，測量精度越高，但最小採集間隔受天線轉動速度、A/D轉換時間和必要的數據處理時間的限制。本系統採用等角度間隔採集，採集間隔為23×0.073=0.58密位。

3 軟體設計

3.1 軟體構成及執行流程

系統的軟體由信號採集、數據處理和方向圖參數計算及繪圖3部分組成。

信號採集程序包括幅度信號錄取程序和角度信號錄取程序，也就是A/D和軸角編碼器的啟動和數據輸出程序。採集的天線幅度信號存入外部數據存儲器；由於繪製方向圖和參數計算只需角度的變化量，不需要角度的絕對值，因此，角度數位訊號不必像天線幅度信號一樣存放在存儲器中，而是用存儲器地址的後幾位來代表角度信號，即存放某一位置幅度信號的地址，就包含了該位置的角度信息。這樣處理既節省了存儲空問，又使數據處理大大簡化。

測量開始後，單片機根據軸角編碼器輸出的角度信號判斷天線轉過的角度是否為△α(相鄰兩數據點的角度間隔)，如果還沒有轉過△a，等待；如果已轉過 △a,CPU發出"啟動"A/D的指令，並將A/D轉換結果存入外部數據存儲器。這樣，在單片機控制下，天線每轉動△a錄取一次天線幅度信號。錄取結束後，進行數據校準、濾波處理和參數計算，最後繪製方向圖，列印方向圖參數。

天線方向圖參數包括主瓣寬度、副瓣電平和交叉點電平。由於天線幅度信號採用對數值，因此乘除法運算變成了加減法運算，使編程簡化。求解3個參數的關鍵是求出主瓣最大值點、第1副瓣最大值點和交叉點，找到這些點後再進行簡單的加減運算即可求出參數值。下面介紹數據處理程序中的測量放大器校正程序和消" 毛刺"程序。
3.2 測量放大器校正程序

測量放大器是該系統最主要的誤差源，是一個近似的對數放大器，為了得到與輸人信號對數成正比的輸出電壓，需對其進行校準。

本系統測量放大器的校正法是：用實驗方法測出整分貝點校準值對應的測量放大器輸出電壓值，製成電壓-分貝表存人程序存儲器，編制查表程序可得到與整分貝點校正值對應的輸出電壓值，非整分貝點的校正值由線性插值法求出。計算公式為：

式中：i=1，2，…Y為整分貝校正值；X為對應Y的輸出電壓值；y為位於yi-1與Yi之間的非整分貝校正值；x為對應y的輸出電壓值。

電壓-分貝表可通過下面的實驗獲得。實驗配置如圖5所示。

實驗步驟如下：

a)按圖5連接電路，打開電源，使儀器正常工作。

b)將精密衰減器調至0 dB，調整信號源"衰減"旋鈕，使A/D輸出接近滿量程。

c)增大精密衰減器的衰減量，每變化1 dB讀一次A/D輸出值，直到輸出為0。

d)以分貝值為地址(末幾位)，在EPROM中固化相對應的A/D輸出值。

圖6是由繪圖儀繪製的測量放大器的校準曲線。實驗表明，經校準後，測量放大器產生的誤差大大降低，但仍大於0.25 dB，信號較小時誤差接近0.5 dB。誤差產生的原因是校準時精密衰減器本身有0.1 dB的誤差，尤其是校準時的環境(溫、溼度等)與測量時不同造成的校準誤差影響更大。因此，實際中一般製作多個分貝-電壓表，應用於不同的實驗環境。

3.3 消除"毛刺"程序

由於電磁環境日趨複雜、惡劣，測試現場存在很多電磁幹擾。出現最頻繁的是脈衝幹擾，在繪出的方向圖中表現為一個個小"毛刺"。這些毛刺給數據處理帶來很大麻煩，如果不予消除，可能引起測量誤差增大、參數計算出錯等現象。例如出現在主瓣上的"毛刺"會被誤判為副瓣，從而導致副瓣電平的計算出錯。

常用的消除"毛刺"方法有限幅濾波法、求算術平均值法、中值濾波法和一階滯後濾波法等。通過實驗驗證，限幅濾波法對測量中出現的"毛刺"的濾波效果最好。限幅濾波法是把兩次相鄰的採樣值相減，求出增量絕對值，然後與兩次採樣允許的最大差值△Y進行比較，如果不大於△Y，則認為本次數據有效，保留該數據；否則，取上點的數值作為本次數據。即

式中：

K=1，2，…；X為採集數據；Y為濾波數據。

△Y的選取至關重要，過大和過小其濾波效果都不理想，需通過反覆實驗獲得。

4 結束語

本文介紹了某雷達天線方向圖自動測試系統的軟硬體原理。用該系統進行實地測量，不計架設和通電準備時間，從信號錄取、數據處理到最後繪製方向圖、列印計算結果，整個測試過程不超過1.5 min。該系統具有精度高、測量速度高、性能穩定、價格低廉和適應環境能力強等特點，既適用於實驗室的測量，又適合在野外工作現場對天線進行在線測量。

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